家用洗碗机三维建模设计（含三维SW及CAD图纸）
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1目目 录录摘摘 要要.3ABSTRACT.4第第 1 章章 绪论绪论.51.1 背景.51.1.1 选题的依据及研究意义.51.1.2 国内外洗碗机发展与现状.61.2 国内市场上洗碗机的分析.71.2.1 国内市场上洗碗机的特点与不足.7第第 2 章章 总体方案总体方案.82.1 设计要求.82.2 整体方案设计.82.3 本章小结.9第第 3 章章 超声波清洗原理超声波清洗原理.103.1 超声波清洗技术简介.103.2 超声清洗机理.103.2.1 超声空化作用.103.3 超声空化阀.11第第 4 章章 超声清洗参数选定超声清洗参数选定.124.1 影响超声波清洗效果的因素.124.1.1 声强.124.1.2 频率.124.1.3 清洗液.124.2 超声场的研究.134.2.1 空化强度的测量.134.3 选取参数.1324.3.1 超声清洗参数.134.4 本章小结.14第五章第五章 超声波洗碗机结构设计超声波洗碗机结构设计.155.1 整体方案设计.155.2 各重要部件设计.155.2.1 清洗槽.155.2.2 进排水系统.155.2.3 水位感应系统.165.2.4 喷臂系统.175.2.5 超声波发生器.185.2.6 超声波换能器.195.2.7 加热系统.205.3 本章小结.20第第 6 章章 控制系统控制系统.216.1 控制逻辑.216.2 处理器选择.21第第 7 章章 洗碗机洗碗机 SOLIDWORKS 设计设计.237.1 SOLIDWORKS的简介.23第第 8 章章 结语结语.24致谢致谢.25参考文献参考文献.263摘摘 要要为节约国人清洗餐具的时间，减轻人民的家务劳动强度，本文设计了一款新型超声波洗碗机。本文将超声波清洗系统引入洗碗机设计内，实现高效、低能耗、低污染的目标，以满足国人对洗碗机的使用需求。在洗碗机结构设计方面，优先使用不锈钢材质作为清洗槽，合理布置各部件的结构空间，实现空间利用最大化。清洗工艺方面，根据铝锡箔腐蚀法所得的结果，分析洗涤槽内超声波空化强度的分布，选择合适的参数，确定最优的清洗流程。控制系统方面，选取合适的 PLC，以各个部分作用的时间先后为逻辑顺序，实现清洗过程的自动化。关键词关键词：超声波；洗碗机；结构设计；PLC4AbstractIn order to save the time of cleaning dishes, and reduce the intensity of housework, a new ultrasonic dishwasher was designed. In this paper, ultrasonic cleaning system is introduced into the dishwasher design to achieve high efficiency, low energy consumption and low pollution, so as to meet the demand of dishwashers in china.In the dishwasher structure design, priority is to use stainless steel as cleaning tank, reasonable layout of each part of the structure space, to maximize space utilization. The cleaning process, the aluminum foil corrosion method according to the results, analysis of the distribution of ultrasonic cavitation intensity in the washing bath, select the appropriate parameters, determine the optimal cleaning process. In the control system, the proper PLC is selected, and the automation of the cleaning process is realized in the logical order of the time of each part.Key words: ultrasonic wave; dishwasher; structure design; PLC5第第 1 章章 绪论绪论1.1 背景背景1.1.1 选题的依据及研究意义选题的依据及研究意义作为一种家庭的日常且必须的家务活，洗碗常常因油污而较难清洗的问题变得不受欢迎。随着技术的发展，自动洗碗机的出现，简化人们洗碗的流程，降低接触油污的机会，具有较强的实用意义。但现有的洗碗机对添加的洁净洗涤剂的量和质均要求较高，常常需要大量的水清洗碗表面的洗涤剂，污染大且浪费大量水资源。为此，超声波洗碗机通过超声波清洗碗具，经过多年的技术积累，这种洗碗方式逐渐成熟。它因污染小而广受欢迎，但这种方式常常受一些影响因素的影响而降低洗碗的洁净效果。影响超声清洗效果的因素有很多。如声强必须大于空化阀，且这种方式只对金属、玻璃、塑料等材质的器件具有不错的洁净效果。超声波洗碗机有以下特点：1、节水省电、低噪音。2、清洁度高、没有死角。3、不需用专用洗涤剂，环保。1.1.2 国内外洗碗机发展与现状国内外洗碗机发展与现状1929 年国外的第一台家用洗碗机诞生，标志着家庭机器洗碗的开始。经过十多年的发展，美国出现了性能和外形较好的洗碗机，使得洗碗机逐渐受到家庭成员的喜爱。随着智能控制技术的发展，微型电脑的应用使得洗碗机更加智能化，于是越来越多的洗碗机进入西方家庭。而亚洲最早开始从事洗碗行业的是日本，所代表的企业有松下（National） 、 三洋（SANY） 、 三菱（MITSUB ISHI） 、东芝（TOSHIBA）等。洗碗机在国外市场具有广阔的前景，促进洗碗机创新技术的发展，两者相互促进，相互影响，推动洗碗机行业的发展。目前洗碗机的技术正向低耗、高效率和环保方向发展。6我国洗碗机市场起步较晚，且目前洗碗机尚未在大范围内认可使用。第一，我国尚未研制出使用于陶瓷餐具的洗碗机。第二，现有的洗碗机清洗餐具的效率不高，需要多次清洗，经济成本较高。第三，洗碗机的占用空间较大，不适宜小户型空间使用。第四，我国生产的洗碗机价格较高，性价比较低。综上所述，我国现有的洗碗机技术还不能满足国人的需求，还存在很大的进步空间，有必要有针对性的考虑国人的饮食习惯、餐具材质、生活习性等方面开发一款适合国人使用的高效、节能、环保的洗碗机。7第第 2 章章 总体方案总体方案2.1 设计要求设计要求新型超声波洗碗机的设计原则如下：（1）结构要求合理，实现正常功能。（2）清洗后，98的餐具能达到洗净标准。（3）效率高，清洗时间要求为三十分钟。（4）清洗过程自动化。机器启动后，自动工作，并有指示灯提示。2.2 整体方案设计整体方案设计本论文通过将超声波技术与洗碗机有机结合，改变我国洗碗机高能耗、低效率的现状，方案设计如图 2-1 所示。新型洗碗机的工作过程如下：（1）加水过程：进水电磁阀打开，水流入水槽中，水位达到设定值时，关闭进水电磁阀。（2）清洗过程：加热器让水和餐具升温到设定值，然后开启超声波清洗系统。油污与餐具在超声空化作用下剥离，清洗一段时间后停止清洗。（3）辅助清洗过程：打开排水电磁阀，喷臂电磁阀打开清洗餐具。（4）排水过程：洗涤完毕，剩余污水排出。 12 4 3 51：进水电磁阀；2：喷臂电磁阀；3：排水电磁阀；4：超声波振子；5：喷臂8图 2-1 总体方案图2.3 洗碗机洗碗机 Solidworks 设计设计Solidworks 自从二十世纪九十年代中期投入市场以来，由于其独特的性能优势、通用性、简单易学，和快捷的二次开发等性能，大大地提高了工程设计人员在工作中的效率，收到了全球各大公司的广泛应用和推广。该款软件是由美国 solidworks 公司开发研究的专业绘图软件，目前已经能够与 PROE、UG 等三维软件形成鼎足之示，成为三维制图软件的标准。目前该款软件应用非常广泛，在机械、电子、能源等诸多领域。Solidworks 的三个重大特点在于其功能覆盖广，操作简单易懂，可编程性强。这使得 Solidworks 能够成为先进的、主流的三维辅助设计软件。Solidworks 具有超强大的优化设计功能，通过为客户提供多种产品设计方案，减少设计人员在设计中的错误，并能够提高产品质量。Solidworks 不仅能够建模还能够进行装配和干涉检查，除此之外还能够进行运动仿真、有限元分析等更高级的功能。此外，还有包括一些其他产品，比如，DesignWorks 产品通过直接读取 Solidworks 的装配关系，来进行自定义连接，并进行力学计算，还能够加计算出的力学结果加载到零件上，对装配体进行分析。2.4 本章小结本章小结洗碗机最重要的为清洗系统。本章节介绍了新型洗碗机的总体设计方案及其实现的功能，工作流程。9第第 3 章章 超声波清洗原理超声波清洗原理3.1 超声波清洗技术简介超声波清洗技术简介超声技术根据不同的应用模式分为检测超声、功率超声两类。检测超声通过超声波本身的波的一些特性实现信息提取，如通过波的反射、折射等传播特性提取物质的内部信息，属于超声的被动应用。而功率超声则是通过超声波本身的具有能量，与一些材料之间相互作用，进而使得物资发生变化，比如超声波清洗技术，属于超声的主动应用。超声波清洗具有高效、易控制的特点，尤其是对一些形状特殊、非常规造型的器件清洗效果较为理想，也十分适用于餐具的清洗。3.2 超声清洗机理超声清洗机理3.2.1 超声空化作用超声空化作用利用超声空化实现餐具清洗原理是通过超声影像液体中的空气核，产生不同的压力，正压力使得气泡消失，气泡消失是伴随着很大的冲击力和较强的局部压力，进而冲击油污。同时闭合的巨大压力能带动水中的磨料粒子撞击餐具表面，是油污脱落。 超声清洗过程中还具体下列作用：微射流：液体中的空气核闭合过程中存在一个不对称闭合状态。在此状态下将形成 100m/s 的液体射流，该流体冲洗餐具上的油污。乳化作用：在超声空化作用下，有油污包裹住的固体粒子，在两种液体的分界面迅速分散而乳化，固体粒子自动脱落。3.3 超声空化阀超声空化阀使清洗液达到空化作用的最小声强或者声压幅值称为空化阀。只有超声参数超过空化阈值才能产生空化作用。空化阀 Pc 表示为：10其中 Po 代表液体的静压力；Pv 表示蒸汽压强；Ro 表示空气核半径，是表面张力系数。由上式可知，清洗液体中气体含量越少，空化阀值就越高，从而静压力越大，增加液体粘性，又影响空化阈值大小。由此可知，空化阀值和液体本身的性质、温度、压力和气体含量有关。空化阀与沾滞系数之间的关系可通过经验公式计算：期中， 为沾滞系数。11第第 4 章章 超声清洗参数选定超声清洗参数选定4.1 影响超声波清洗效果的因素影响超声波清洗效果的因素4.1.1 声强声强声强指液体单位体积上的声波具有的功率强度值。声强和液体中空气的空化强度息息相关，通常情况下，呈现正相关特性，意味着声强越大，空化越强，洗碗机的洁净效果越好。但是声强值还会影响声源表面液体的压强，形成过量气泡，这种气泡会隔断声波的传播，吸收声波在液体中的传播能量，冲击油污的声波太弱则无法清洗餐具，声波太强又会使得过量气泡过多，形成声波屏障，阻断声波的传播，影响洁净效果，有时甚至会破坏器件表面。此外，由于洗碗机的清洗空间有限，超声波在传播过程中易形成驻波，进而使波节处声压过小，无法发生空化，造成清洗盲区。声强一般选在 1W/cm2-2W/cm2之间。4.1.2 频率频率超声波频率越低则越容易产生空化作用。正常情况下，频率越低，空化核的闭合半径半径越大，进而产生的射流越强，清洗污秽的效果越好。但是，当频率低于 20KHz 时，液体中的空化核不能破裂，意味着无法完成空化过程，此时超声波不再具有空化作用。一般，超声波的工作频率选择范围为20KHz40KHz。考虑到洗碗机的清洗对象的材质大多为陶瓷，清洗槽规格为400400430，所以本文选择 28KHz 作为清洗频率。4.1.3 清洗液清洗液清洗液的选择需要综合考虑多方面因素。首要考虑的是清洗液本身的去污能力。其次是清洗液液体本身的粘度和表面张力特性对超声空化作用的影响。最后是考虑使用液体的环境污染因素。由前文可知，空化阈值还与清洗液的粘度呈现一定的正相关性，粘度大，空化阀值大，进而使得超声波的空化作用越难产生。而清洗液表面张力也对空化强度具有正相关特点，张力大意味着液体12的空化强度大，越容易实现超声清洗。综合考虑后，本文选取日常使用的自来水作为为洗碗机的清洗液。4.2 超声场的研究超声场的研究4.2.1 空化强度的测量空化强度的测量空化核运动过程中的空化强度在液体中的变化情况较难测量。且由于实验室条件限制，本文参考其它文献的相关观点：1：超声波空化强度从离声源近的地方开始逐渐增强，在中部的时候达到最大，随后逐渐减弱。其原因是过多的空化气泡会形成声波屏障，会影响声波的传递，所以在远的地方，空化强度反而减弱。2：无扫频作用的清洗效果差。由前文分析可知，由于洗碗机清洗空间小，易形成驻波影响洁净效果，而扫频可以避免驻波形成。只要使超声频率在合理的范围内变化。3、相同情况下。双面作用强度比单面作用低。4、单面扫频的清洗效果最好。 4.3 选取参数选取参数4.3.1 超声清洗参数超声清洗参数超声清洗参数主要包括超声功率、清洗时间、水温等，下面介绍三个参数的详细确定过程。超声功率密度：P=发射功率（W）/发射面积（cm2） ；通常 P 0.3W/cm2，在液体中传播的超声波能对物体表面的污物记性清洗，其原理用空化阀表示，超声波振动在液体中传播的音波压强打到一个大气压时，其功率密度为 0.35W/cm2，这是超声波的音波压强峰值就可打到真空或者负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力。综上，功率密度应选在 0.351W/cm2之间。超声清洗时间：通过情况下，超声清洗时间与餐具表面的油污类型相关，13不同的油污类型需要的清洗时间不同。但清洗时间大多不低于 3 分钟，不超过10 分钟，考虑到我国居民日常饮食习惯问题，本文将清洗时间设定为 10 分钟。水温：这里将清洗水温定在 504.4 本章小结本章小结本章主要分析了影响洗碗机清洗效果的因素，并确定了各影响参数的大小：工作液体温度为 50，清洗时间设定为 10min，功率密度为 0.351W/cm2之间，超声波频率为 28Khz，超声单面放射，采用扫频，餐具朝向超声波发射面。主要流程为：进水-加热至工作水温-超声清洗 10min-喷臂清洗 1min14第五章第五章 超声波洗碗机结构设计超声波洗碗机结构设计5.1 整体方案设计整体方案设计洗碗机的设计需要综合考虑多方面因素，尤其是以下两个因素：1)水槽及管道渗水、漏水问题，即机器密闭性问题；2）洗碗机各零部件的选型。由第 2 章洗碗机的工作过程可知，家用超声波洗碗机的结构主要组成包括超声清洗系统、喷臂系统、加热系统、进出水系统等几个方面。超声清洗系统：超声波发生器，超声波换能器等组成。喷臂系统：喷臂，压力泵等组成。加热系统：水槽加热管等。进排水系统：电磁阀，水位感应开关，过滤网等组成。其他：清洗槽，箱体，碗篮，底座等。5.2 各重要部件设计各重要部件设计5.2.1 清洗槽清洗槽本文设计的清洗槽在材质方面优先考虑耐腐蚀性，因此选用 201 不锈钢板。考虑国内餐具尺寸的特殊性，本文将清洗槽的内箱尺寸设计为400400430mm，且每一个平面之间用倒圆角连接。清洗槽内壁厚度方面，国内餐具的油污较多，相应腐蚀性稍强，且清洗时间比较长，考虑到洗碗机的使用寿命，本文将清洗槽内壁厚度设计为 3mm。喷洗系统也位于清洗槽内，实现一体化设计，该喷洗系统位于清洗槽的顶部。清洗槽底部和箱体之间留有部分空间，以用于安装洗碗机电源等其他部件。清洗完成的残余手工清理。5.2.2 进排水系统进排水系统进排水系统设计方面，需要控制水进出的电磁阀，保证水质清洁的过滤芯，感知水位的水位感应系统以及进排水管等几方面部件。打开二位二通阀后，自15来水流入清洗槽，在达到一定水位后，水位感应开关启动，清洗完毕后，废水经过滤芯，排水口排出。水管材料选 PVC 管。5.2.3 水位感应系统水位感应系统选最为简单易控制的方式来进行水位的感应和控制，根据超声波洗涤的情况，选连杆式浮球液位开关来控制。其示意图如 5-1 所示，水位变化带动浮力小球升降。进水时候，水位高，小球导通上端的干簧管簧片，并使得加热器系统开始工作。排水时，水位低，小球导通下端干簧管簧片，并让喷臂泵开始工作，冲洗餐具。图 5-1 水位感应器结构示意图5.2.4 喷臂系统喷臂系统喷臂系统负责将超声波清洗剩余的油污冲洗清除，其工作过程如下：喷臂泵将水从喷臂孔中喷出，水流像瀑布一样冲刷碗具，清洗餐具。考虑到餐具数量，本文的喷臂孔采用圆形喷头设计，且出口上布满小孔，类似于淋浴喷头。水管之间的连接采用正常的水管接头处理，通过尼龙挡水圈增加连接处的密闭性。该系统的结构设计如图 5-3 所示。16图 5-3 喷臂结构示意图5.2.5 超声波发生器超声波发生器超声波清洗系统需要有能够产生超声波的超声发生器，还需要将产生的超声波变换为清洗机适用的超声换能器。本小节主要考虑超声波发生器的设计，它主要负责提供电磁信号能量的波源部分，该部分的设计及选用需综合考虑：（1）频率自动跟踪问题；（2）配备末级放大器，实现信号放大功能；(3）功率合成器，增加信号输出能力；(4）功率放大器的保护，线路对放大器存在干扰因素；（5）与换能器匹配，负载和功率匹配实现最大能源利用，能量转换效率最高。根据要求，确定超声波设计参数：保险座：对超声波发生器起保护作用，防止清洗时间过长或负载较大等情况损坏超声波发生器。频率微调：由前文可知，超声波的频率设计为 28K，但考虑负载匹配等因素，为实现能量利用效率最大化，需让超声波的频率在一定范围内可调。扫频：改变超声波的频率使得清洗液在超声空化作用下形成细微回流，加快带动餐具表面油污清洗。功率可调：根据所确定的清洗槽的尺寸，确定最大功率为 800W，可实现本机输出功率的 10%一 100%连续可调(但通过试验，选择洗碗机的功率为30OW)。根据以上要求，本文在考虑价格因素的基础上，选用 KMD300 型超声波发生器。该器件的具体参数为：规格 220210100mm，超声功率 300W，清17洗温度 50，频率可调 28Khz5.2.6 超声波换能器超声波换能器超声波发生器产生的超声波并不能满足清洗的需求，还需通过超声换能器变换为满足清洗需求的能量。超声信号进入换能器，改变换能器内部的电磁场，进而引起振动部件振动，连带介质振动产生辐射声波。为实现上述功能，换能器需要引起电磁场变化的换能材料以及产生振动的机械振动部分，机械部分又可称为变幅杆。换能器示意图如图 5-4：图 5-4 超声波换能器结构示意图超声波振子参数设定：根据清洗槽侧面积为400430=172000mm2=1720cm2，由于功率密度应在 0.351W/cm2，所以在侧面安装 9 个超声波振子，振子功率选择 100W。功率密度可达900W/1720cm2=0.52W/cm2。频率选 28Khz。综上，本文的超声波换能器型号确定为 HS3828 型，具体参数为：大小5968mm，阻抗20，频率 28Khz 正负 0.5Khz 可调，功率为 100W，最高可用温度 120。5.2.7 加热系统加热系统洗碗机在超声清洗过程中，需通过热水清洗，故需设计加热系统。本文的加热系统通过加热器实现，考虑外观的美观性，将加热器放置在内部清洗槽的底部，为保证加热的均衡性，加热器均匀布置。由前文可知，清洗温度为 50，而加热时间控制在 4 分钟，从水进入水槽后加热 4 分钟时间后，加热器停止工18作。加热器采用电加热模式，主要有隔热层和电阻丝组成，类似于吹风机结构，其结构示意图如图 5-4 所示图 5-5 加热器结构图5.3 本章小结本章小结本章节主要对洗碗机的主要部件及材料进行选型和设计，并给出 A0 号装配图。19第第 6 章章 控制系统控制系统6.1 控制逻辑控制逻辑 由方案设计可得出洗碗机工作流程图： 进水-加热-超声清洗-排水-喷臂清洗-排水。编辑控制逻辑图如下：图 6-1 清洗流程图6.2 处理器选择处理器选择根据逻辑图选择 PLC 控制器，这里选用西门子 CPU224其参数为：20100230V AC 电源；24V DC 输入；继电器输出；本机集成 14 输入/10 输出；共 24 个数字量 I/O 点；可连接 7 个扩展模块；最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点；13字节程序和数据存储空间；个独立的 30KHZ 高数计数器；2 个独立的 20KHZ 高数脉冲输出；具有 PID 控制器；1 个 RS485 通讯/编程口；具有 PPI 通讯协议。21第第 7 章章 洗碗机洗碗机 Solidworks 设计设计7.1 Solidworks 的简介的简介Solidworks 自从二十世纪九十年代中期投入市场以来，由于其独特的性能优势、通用性、简单易学，和快捷的二次开发等性能，大大地提高了工程设计人员在工作中的效率，收到了全球各大公司的广泛应用和推广。该款软件是由美国 solidworks 公司开发研究的专业绘图软件，目前已经能够与 PROE、UG 等三维软件形成鼎足之示，成为三维制图软件的标准。目前该款软件应用非常广泛，在机械、电子、能源等诸多领域。Solidworks 的三个重大特点在于其功能覆盖广，操作简单易懂，可编程性强。这使得 Solidworks 能够成为先进的、主流的三维辅助设计软件。Solidworks 具有超强大的优化设计功能，通过为客户提供多种产品设计方案，减少设计人员在设计中的错误，并能够提高产品质量。Solidworks 不仅能够建模还能够进行装配和干涉检查，除此之外还能够进行运动仿真、有限元分析等更高级的功能。此外，还有包括一些其他产品，比如，DesignWorks 产品通过直接读取 Solid
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